文摘
空化可以降低离心泵的效率和寿命,在空化条件下长期运行会导致空泡腐蚀表面的材料。的外部特性试验is65 - 50 - 174单级离心泵。此外,分析了空化机制在特定条件下数值模拟。考虑到宏观离心泵空化流结构,三种不同的空蚀预测方法被用来预测易受侵蚀的地区。结果表明,密度修正方法得到的计算结果(DCM)可以与离心泵在额定条件下的流动特性。离心泵头下降3%时,空化主要发生在吸力面和压力的腔面主要集中在封面。空化预测方法基于压力变化是不适合的时间推导离心泵,在腐蚀性幂法的预测结果比其他的更合理。在时间0.493114秒,最大侵蚀功率出现在蜗舌附近的叶片,和它的价值W。
1。介绍
在离心泵空化是一种常见的现象。离心泵运行时,在局部地区将液体压力低于饱和蒸汽压在操作温度,导致空化(1]。叶片表面的面积,空化发生将受损的冲击荷载的重复作用下,如图1。同时,它也会导致增加噪声和严重的振动离心泵(2,3]。因此,它具有重要意义进行离心泵气蚀研究[4- - - - - -6]。
到目前为止,来自不同国家的研究人员研究了空蚀实验和数值方法(7- - - - - -10]。Dular et al。11]利用PIV和PLIF技术测量离心泵内部空化流场,得到了瞬态时均速度场和蒸汽体积分数分布在叶片。Bilus和Predin12]研究了入口管上安装一个整流器对离心泵的汽蚀性能通过实验,和整流器的使用提高了空化状态。Bachert et al。13]用PIV测试技术结合高速摄像机在研究云计算空泡蜗舌的离心泵和离心泵性能的恶化的原因探讨在高流速条件下。王等人。14)研究了在进口离心泵叶轮的汽蚀和最初获得空泡分布之间的关系在叶轮和泵的振动和噪声特性。傅et al。15)使用高速摄影和压力脉动测量技术系统地分析低频cavitation-induced脉动低流速条件下离心泵的特点。
具有挑战性的使用实验方法研究空化和空化的非定常演化复杂液压机械。同时,也有难以准确测量可重入的速度流场流,并捕获的涡结构流腔。与实验相比,更多的流场细节可以通过数值模拟,提供一个更好的空化机制的解释。基于三分量的连续性方程的液相,气相,和非冷凝气体,在香港16)建造了一个非线性空化模型,并计算了轴流式泵空化流场。Caridad et al。17)用数值模拟来研究不稳定条件下离心泵的气蚀现象。空化的积累造成堵塞流道的水力损失增加。通过数值模拟,谭et al。18)发现,在不稳定的条件下,离心泵叶轮的内部空化少对bean流量下的流型的影响比低流量的影响。王等人。19)建立了RZGB空化模型考虑旋转效应,大曲率的结构特点,和液体的压缩性研究离心泵空化流场。
基于微型喷气发动机的方法,Peters等人。20.)做了一个预测NACA0009水翼空蚀。王(21)提出了一种基于空化的预测方法Matlab图像处理在离心泵空化云的。他们的研究结果表明,离心泵的气蚀位置基本上是一样的空蚀区。李等人。22)进行了比较分析NACA0015易受侵蚀的地区的水翼基于一阶偏差的压力和时间指示,证明该方法可以更好地满足水翼的易受侵蚀的地区。通过实验,邱et al。23]相比NACA0015水翼的空蚀与不同的尖端结构和空化冲击能量进行了定量分析。美国网球et al。24)强度函数法之间的差异相比,灰度方法和侵蚀作用的方法。然后,他们比较和预测螺旋桨侵蚀区域。结果表明,按照预测螺旋桨空蚀方法具有优势。
摘要density-corrected RNG模型用于模拟空化和三种不同的空蚀预测方法被用来预测空蚀的离心泵叶片表面。
2。离心泵参数和实验装置
在这篇文章中,一个is65类型的单级离心泵- 50 - 174进行了研究。这个测试泵的主要参数如表所示1。
的实验完成了江苏大学流体机械工程技术研究中心,与系统图所示2。该系统主要由两部分组成:水循环电路和数据采集系统。
3所示。数值模拟方法
3.1。连续性方程和动量方程
在仿真中,气液两相流通常被认为是均匀的。navier - stokes方程本文使用的是基于牛顿流体模拟。方程是在笛卡儿坐标系统制定 其中下标 , 显示坐标方向,显示的速度,指出了压力,表示液体密度,表明蒸汽密度,表明蒸汽体积分数,表示液体体积分数,表示液体层流粘性,表明蒸汽层流粘性,表明湍流粘度,表示蒸汽冷凝率,表明蒸汽蒸发率。表示气液混合相位密度,表示气液混合相位层流粘度,表示时间, 的坐标吗和的方向,表示剪应力。
3.2。空化模型
兹瓦特模型(25,26)是一个空化模型基于质量输运方程,它描述了空化相变过程主要通过建立运输蒸气和液体阶段之间的关系。蒸发率和冷凝率定义如下:
的公式,是泡沫半径,是气体原子核的体积分数,饱和蒸汽压,当地的静态时的蒸汽冷凝压力大于饱和蒸汽压,然后呢蒸汽蒸发的速度,当本地静态压力低于饱和蒸汽压。在模型中系数的值是(25] , , ,和 。
3.3。湍流模型
这种模拟是基于RNG湍流模型。更准确地模拟离心泵空化的发展,压缩的混合蒸汽和液体阶段被认为是和混合密度修正了密度修正方法(DCM)。湍流粘度定义如下: 在哪里作为10根据文献建议(27]。
3.4。网格数值设置和验证
水温的实验和仿真保持在大约23.5°C。图3显示了计算域和边界条件。为了避免计算域的进口和出口回流,入口扩张管是在叶轮的计算域,和一个出口扩张管设置在螺旋形的计算域。扩展的墙壁都设置为中性的墙壁。入口被设置为一个压力入口1 atm的价值。此外,出口被设置为一个质量流率出口50米的价值3/小时。叶轮和蜗壳的墙表面粗糙度设置为0.03毫米。此外,叶轮设置为每分钟2900转的速度旋转域,和其他部分被设置为静态域。
被划分为六面体结构使用的计算模型有限元分析软件ICEM软件。为了减少网格的干扰模拟离心泵的性能质量,叶片是网状壁面区域的人口来更好地控制网格结构的边界。网格细节如图4。考虑到网格对计算的影响,提高湍流模型用于分析计算域的网格独立性。表2显示了计算域的网格信息。头的变化作为判断电网的适用性的标准。
图5显示了不同网格条件下变化。可以看出,随着网格数量的增加,趋于稳定。考虑到计算时间和资源,最终选择选项4的网格数量2538949计算。这一方案靠近壁面的叶片表面的价值是在100年,满足计算要求的提高湍流模型,如图6。
4所示。结果与讨论
4.1。实验验证和稳定分析
额定流量和速度的条件下,模拟头是36.39米,实验结果是35.71米。相对误差为2%,表明仿真具有较高的可靠性。
图7显示了测试泵的空化性能曲线。额定流量时,离心泵的进口压力减少调整真空罐。与压力逐渐降低,一组头和净正吸入压头了,和空化性能曲线。净压头计算公式
在工程中,人们普遍认为,头下降3%时,泵的气蚀临界状态,和离心泵的性能急剧下降,在这个状态。从图可以看出7,实验结果表明,净压头大约是3 m头下降3%,仿真结果是约2.12米。的关键通过模拟略小于实验结果。模拟计算的原因可能是在一个理想的工作状态以更少的干扰。数据7(一)-7(d)模拟空泡分布在不同 。在初始阶段,当 米,没有在离心泵空化。随着进口压力降低,下降到6.29米。细长的空化区附着在叶片吸力面出现在入口一侧的。当压力进一步降低,覆盖区域的空腔附着在叶片变大,影响泵的稳定流动在一定程度上,导致下降的离心泵,如图7(c)。在这种状态下,头部约99%的noncavitation头。在空化的演变过程中,腔将逐渐变得越来越厚。当 m,离心泵头是noncavitation低于3%,可以看到在图7(d)。在这种状态下,空化区域的填充整个流道和阻止直接导致泵性能急剧下降。
4.2。分析不稳定的空化性能
内部流场的非定常模拟时 在额定流量下进行。非定常计算的总持续时间设置为0.4138秒(20所需的时间周期的叶轮的旋转),和时间步长设置为0.00022989秒(叶轮旋转的情况下计算后每个1/90周期)。选择一到十次迭代计算达到收敛精度。收敛精度设置为0.0001,确保非定常计算的可靠性。在叶轮旋转20°,结果文件保存。
图8显示了液相流线和空泡体积分数 在一个周期的叶轮旋转。叶片的压力面附近的流线简洁,但吸力面附近的流线有漩涡,图中红色虚线所示区域。漩涡的发展呈现明显的非定常特性。大流道的出口附近的紊流区出现大肠时,时间的推移从2/6 T 3/6 T,流道的三个漩涡E合并一个又继续增长随着时间的推移,而漩涡的中心移动到流的出口通道。漩涡的存在反映了流动的不稳定性。和流的不稳定是一个重要的原因影响离心泵的性能,尤其是头部和效率的下降。从图可以看出,之间有一个明显的边界涡结构和空化结构,和背后的涡流区出现汽相区域。空化发生在叶片的吸力面和发展落后。它是附着在叶片和逐渐变得越来越厚。同时,附加腔将远离禁区的叶片空泡的尾巴,开始阻止由于叶轮的旋转流动路径。 The existence of cavities changes the flow filed, and a velocity vortex is formed behind the cavities.
图9显示了每个参数的均值分布的叶轮轴面在一个典型的时间 T。从数据可以看出9(一)和9(b),水进入叶轮入口压力低。旋转的叶片,流道中的压力显示了整体上升趋势和在叶轮出口超过80000 Pa。中心附近的流体速度相对较低,保持在0到7米/秒之间。存在一定程度的回流,导致较低的压力在这个领域比其他地区的叶轮进口,如地区2所示。附近有不规则的低压区域1封面,和空化主要发生在这个区域,如图9(c)。与此同时,可以看出,在一个位置接近出口,出现一定范围的低速区。一些漩涡出现在中间和下游的叶轮流道。由于不稳定流动,这一领域的平均速度很低。从图可以看出9(c)空化不规则分布,基本上是与低压区域的形状一致。最严重的空化区域附近的封面,和空泡体积分数逐渐降低从封面到后盖。只有少量的气蚀的根源叶片附近的后盖。
图9(d)显示的扩展视图在此刻叶空泡体积分数。从图可以看出,在横截面上的 ,空化是主要分布在叶片吸力面,附加空化的形式。横截面上的跨度= 0.5,附加腔在吸力面变长叶片的弦长方向和壳牌的关闭连接蛀牙。空化的小面积出现在叶片的压力面入口。的横截面 ,叶片的空化压力方面是严重的。然后,空化压力面和吸力面凑空化,完全挡住了流道。
图10显示空泡的体积分数分布在不同的跨越的一个典型的叶片。比较数据10 ()和10 (b),可以看出,在相同的跨度,空化报道吸力面长度大于表面的压力,表明空化主要发生在叶片吸力面。从图可以看出10 ()空泡的体积分数 大于跨度= 0.5和0.2时流向长度是在0到0.4之间。最大的空泡体积分数为0.94 ,最大的空泡体积分数为0.93 ,和最大空泡体积分数为0.89 。三个最大值出现在叶片的前缘附近。随着流线长度从入口到出口,空泡体积分数逐渐降低,然后增加了。二次空泡体积分数的峰值 0.81,二次峰值 0.76,二次峰值 只有0.26。从图可以看出10 (b)表面上的空泡体积分数压力 是高于零长度回水区在0到0.4之间,在吗 ,0和0.2之间的流向分布;0和0.07之间的流向分布 。这些表明,在表面的压力,空化更可能发生在封面。
(一)吸力面
(b)压力
4.3。空蚀预测离心泵叶片
它是基于仿真的方法受到(图11)预测空蚀。空蚀是一个微观和瞬态过程,但它也受到宏观流动的影响。从能源的角度来看,空化泡崩溃将产生一个压力脉冲。这种压力波是造成气蚀破坏的因素之一,如图12。产生的压力波可以崩溃。基于假设的邱et al。23,28- - - - - -32)的势能定义为空腔结构
根据势能的定义,腐蚀性幂函数可以构造。空泡体积减少腔崩溃和压力波被释放的时候。腐蚀性的幂函数可以被定义为
李等人。22使用压力变化率的方法,空化强度函数被定义为
Dular et al。11)提出了一个预测空蚀的方法基于腔的体积。空蚀功能被定义为
的公式,周围的压力蒸汽(Pa);饱和蒸汽压力(Pa);是蒸汽体积(m3);的体积网格(米3);蒸汽体积分数;和 , ,和阈值。
图13显示了侵蚀的时间演化参数对一个典型的叶片。从图可以看出,的值surface-averaged 和surface-averaged 呈现明显的周期性特征,每个周期的时间是0.0207秒,这是符合叶轮转一圈的时间。这种现象反映了泵的空化的非定常特性。旋转的叶轮,泵的空化不断变化。Surface-averaged 波动在 。值大于0时,叶片附近的空化作用范围变大。同样的,surface-averaged 波动在 。值小于0时,表明此时此刻,覆盖腔引起的平均表面压力减少。的波动surface-averaged 很小的价值surface-averaged 大于0,如区域1的图所示。当surface-averaged 小于0,空化覆盖面积减少,和surface-averaged 最大和最小值出现在一个单一的周期。为了更好地预测泵的气蚀情况,如图14,两个典型的时刻 年代和 年代选择进行分析。选择典型的叶片位于H位置在时间在时间和h位置 。
基于仿真结果,三种方法用于预测空蚀分布在一个典型的叶片,和阈值设置为0。结果如图15。从图可以看出,受侵蚀的区域预测的是叶片的中间和下游地区3所示(图),而且没有空化覆盖在这个领域。与此同时,有一个小易受侵蚀的地区在入口处的叶片(区域1的图所示)。相比之下,图15(1),发现还有一个易受侵蚀的地区附近的空泡闭合线路的压力表面(区域2的图所示)。侵蚀面积预测的方法是截然不同的:离心泵的侵蚀面积从实验获得主要存在于部分由空化。因此,这种方法不适合预测离心泵的气蚀区。图15(3)显示了空蚀的结果获得通过预测方法。从图可以看出,在时间和时间 ,该方法预测的受侵蚀的面积小于其他两种方法。相比之下,图15(1),侵蚀面积主要集中在气液边界线附近,这是更明显的封面和刀片之间的边界附近(地区4图中)。有一些点状易受侵蚀的地区附近的空泡闭合线路图(如地区5所示)。易受侵蚀的地区的趋势预测的方法基本上是与其他学者的结果一致,但不能捕获空化作用范围的侵蚀。图15(4)显示了使用腐蚀性侵蚀面积预测功率的方法。从图可以观察到,侵蚀区域发展从叶片进口叶片出口,和空化所覆盖的区域显示侵蚀,这与实验结果趋势一致王et al。19,21]。与其他两种方法相比,该方法具有预测离心泵易受侵蚀的地区。巨大的方法还可以用于定量分析侵蚀作用在不同的叶片。图16的统计结果显示最大侵蚀功率在不同位置的叶片和 。
它可以看到从图16当叶片旋转时间 ,叶片的侵蚀作用位置H,我和J变得越来越小,而腐蚀的权力职位K, L, M变大。在时间 ,对叶片释放了巨大的最大值出现在叶片的位置,和它的价值W。的最小值出现在叶片位置J,及其价值W。在时间 ,叶片旋转后40°,叶片的最大值出现在的位置,和的最小值在j。W出现在叶片 ,叶片的位置j旋转叶片的位置 。这表明,旋转后40°,最小值仍然出现在相同的叶片。考虑到 在公式(7):
的公式, 代表一个步骤的时间间隔的仿真计算。
当叶片通过舌头附近,由于流道的突然改变,这个位置附近的压力突然增加。因此,预测,附近有更高价值的侵蚀作用的位置我在时间 。下一刻,流路径逐渐变大,不再是一个突然增加的压力。因此,预测侵蚀能力较低。
5。结论
离心泵非定常空化的研究,分析了试验和数值模拟相结合的方法,结果表明,(1)DCM方法的计算结果与压缩性修正湍流模型的匹配实验结果,特别是在额定条件下(2)在离心泵气蚀的存在引起的堵塞流道和漩涡的产生,从而导致离心泵的性能的下降(3)当离心泵的头下降3%,空化主要集中在叶片附近的封面(4)压力导数和体积分数导数的典型的叶片表现出周期性变化。变化周期是0.0207秒,这是与叶轮的旋转周期一致(5)三个空蚀预测方法比较,发现空蚀预测方法基于压力变化的速率不适合离心泵,和侵蚀区域预测的侵蚀作用方法更为合理。在 年代,最大侵蚀功率出现在附近的叶片分离的舌头,和它的价值W
在未来的工作中,有必要设置一个空蚀实验。模拟和实验结果进行比较,脉冲能量的气蚀将量化。这些将为工程应用提供更多的理论支持。
数据可用性
的数据支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究是由中国国家自然科学基金(51806082号和51976079号),中国国家重点研发项目(2020号yfc1512403),中国博士后科学基金会(m671363 2020号和2021号t140282),江苏省博士后科学基金会(2020号z298),江苏省医生和创业项目(18 scbs016)。